Neuroimaging har øget vores forståelse af hjernens funktion. Sådanne teknikker involverer ofte måling af blodgennemstrømningsvariationer for at detektere hjerneaktivering, udnyttelse af den fundamentale interaktion mellem hjernens vaskulære og neuronale aktiviteter. Eventuelle ændringer i denne såkaldte neurovaskulære kobling er stærkt forbundet med cerebral dysfunktion. Evnen til at afbilde cerebral mikrocirkulation er særlig vigtig, da neurodegenerative sygdomme som demens og Alzheimers involverer dysfunktion af de små cerebrale kar.
Forskere hos Institut Fysik For Medicin Paris (Inserm/ESPCI PSL University/CNRS) har nu udviklet en metode kaldet funktionel ultralydslokaliseringsmikroskopi (fULM), der kan fange cerebral aktivitet på mikronskalaen. Holdet offentliggjorde de første mikron-skala, helhjernebilleder af gnaver vaskulær aktivitet i Naturmetoder, sammen med en detaljeret forklaring af FULM billedoptagelse og analyseprocedurer.
I modsætning til invasive elektrofysiologiske eller optiske tilgange til at studere hjernefunktion i mikroskopisk skala, kan ultralydslokaliseringsmikroskopi (ULM) være ikke-invasiv. Billedteknologien sporer biokompatible mikrobobler i mikronstørrelse, der sprøjtes ind i blodcirkulationen, og ved at akkumulere sporene fra millioner af mikrobobler kan rekonstruerede billeder afsløre subtile ændringer i det cerebrale blodvolumen med mikronstørrelses nøjagtighed på tværs af store synsfelter.
Forskere har tidligere brugt ULM til at afsløre mikrovaskulær anatomi på helhjerneskalaen hos gnavere og mennesker. Den rumlige opløsning af ULM er 16 gange bedre end den, der opnås med funktionel ultralydsbilleddannelse. Men fordi erhvervelsesprocessen er langsom, kan ULM kun producere statiske kort over blodgennemstrømning induceret af neuronaktiviteten.
FULM-teknikken overvinder denne begrænsning. Ud over at afbilde hjernens mikrovaskulatur, registrerer teknikken lokal hjerneaktivering ved at beregne antallet og hastigheden af mikrobobler, der passerer i hvert kar. Når en hjerneregion aktiveres, får neurovaskulær kobling blodvolumen til at øges lokalt, hvilket udvider karrene og lader flere mikrobobler passere. fULM giver lokale estimater af flere parametre, der karakteriserer en sådan vaskulær dynamik, herunder mikrobobleflow, hastighed og kardiametre.
Ifølge hovedefterforsker Mickael Tanter og kolleger, ved at integrere FULM i en omkostningseffektiv, letanvendelig ultralydsscanner giver "et kvantitativt blik på det cerebrale mikrocirkulationsnetværk og dets hæmodynamiske ændringer ved at kombinere en hjerneomspændende rumlig udstrækning med en mikroskopisk opløsning og en 1 s tidsmæssig opløsning kompatibel med neurofunktionel billeddannelse”.
In vivo undersøgelser
For at demonstrere fULM-konceptet afbildede forskerne først laboratorierotter med funktionel ultralyd (uden kontrast), efterfulgt af ULM i samme billeddannelsesplan. De kombinerede sansestimuleringer (bøjninger af knurhår eller visuel stimulation) hos bedøvede rotter med kontinuerlig mikrobobleinjektion. For ULM modtog rotterne en kontinuerlig langsom injektion af mikrobobler under en 20 minutters billedbehandlingssession, hvilket førte til omkring 30 mikrobobler pr. ultralydsramme.
Under ULM-behandling gemte forskerne hvert spor med hver mikrobobleposition og dens respektive tidsposition. De konstruerede ULM-billeder ved at vælge en pixelstørrelse og sortere hver mikroboble inden for hver pixel. Kun pixels med mindst fem forskellige mikrobobledetekteringer i løbet af den samlede optagelsestid blev brugt til analyser.
Teknikken gjorde det muligt for forskerne at kortlægge funktionel hyperæmi (øget blod i karrene) i både kortikale og subkortikale områder med en opløsning på 6.5 µm. De kvantificerede de tidsmæssige hæmodynamiske responser under whisker-stimuleringer for fire rotter og under visuelle stimulationer for tre rotter ved at måle mikroboblefluxen og hastigheden.
Holdet kvantificerede involveringen af blodkar under funktionel hyperæmi. De observerede stigninger i mikrobobleantal, hastighed og diameter for en repræsentativ arteriole og venule (meget små arterier/vener, der fører ind/ud af kapillærerne), og bemærkede, at kontroldyrene ikke udviste nogen ændringer. De introducerede også en "perfusion" og "dræningsområdeindeks" for yderligere at kvantificere involveringen af hvert enkelt blodkar. Disse steg med 28 % og 54 % under stimulering af henholdsvis arteriolen og venulen.
På grund af det store synsfelt kunne forskerne udføre kvantitative analyser samtidigt for hvert kar på tværs af hele rottehjernebilledet, selv i dybe strukturer som thalamus til whisker-stimuleringer og superior colliculus til visuelle stimulationer.
"Den opnåede spatiotemporale opløsning gør det muligt for FULM at afbilde forskellige vaskulære rum i hele hjernen og at skelne deres respektive bidrag, især i de prækapillære arterioler, der vides at have et stort bidrag til vaskulære ændringer under neuronale aktiviteter," skriver forfatterne.
Ultrahurtig ultralyd kortlægger små blodkar dybt i den menneskelige hjerne
De tilføjer: "fULM viser, at den relative stigning i mikrobobleflow er større i intra-parenkymale kar snarere end i arterioler. fULM bekræfter også dybdeafhængige karakteristika for blodgennemstrømning og hastighed i penetrerende arterioler ved baseline og fremhæver en dybdeafhængig variation i blodhastighed under aktivering. Det kvantificerer også store stigninger i mikrobobleflux, blodhastighed og diameter i venoler under aktivering."
Som et nyt billedforskningsværktøj giver fULM en måde at spore dynamiske ændringer under hjerneaktivering og vil give indsigt i neurale hjernekredsløb. Det vil hjælpe med studiet af funktionel forbindelse, lagspecifik kortikal aktivitet og/eller neurovaskulære koblingsændringer på en hjerneomfattende skala.
Tanter bemærker, at forskere ved Institute Physics for Medicine samarbejder med den Paris-baserede medicinteknologivirksomhed Iconeus, for at gøre denne teknologi tilgængelig for det neurovidenskabelige samfund og til klinisk billeddannelse meget hurtigt.
